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Abwärts- vs. Aufwärtswandler: Buck und Boost im Vergleich

Beide sind getaktete DC-DC-Wandler aus denselben Bauteilen – Schalter, Spule, Diode (oder zweiter Schalter) und Kondensator –, die jedoch unterschiedlich angeordnet sind. Der Abwärtswandler hat den Schalter zwischen Eingang und Spule, zerhackt die Eingangsspannung entsprechend dem Einschaltanteil (Tastgrad D) und mittelt sie, sodass er idealerweise eine niedrigere Spannung vom D-Fachen ausgibt. Der Aufwärtswandler hat die Spule auf der Eingangsseite, verbindet sie über den Schalter mit Masse, speichert so Energie in der Spule und gibt sie dann an den Ausgang ab; idealerweise erzeugt er eine höhere Spannung vom 1/(1−D)-Fachen.

MerkmalAbwärtswandler (Buck)Aufwärtswandler (Boost)
Bereich der AusgangsspannungNiedriger als der Eingang (0 bis Eingangsspannung)Höher als der Eingang (Eingangsspannung oder mehr)
Ideales Spannungsverhältnis (nicht lückender Betrieb)Vout/Vin = DVout/Vin = 1/(1−D)
Beispiel (bei D = 0,5)Von 12 V auf 6 VVon 12 V auf 24 V
BauteilanordnungSchalter zwischen Eingang und Spule, Spule auf der Ausgangsseite. Diode zwischen dem Knoten zwischen Schalter und Spule und MasseSpule auf der Eingangsseite, Schalter zwischen dem Knoten hinter der Spule und Masse. Diode zwischen diesem Knoten und dem Ausgang
FunktionsweiseEingeschaltet fließt Strom über die Spule zum Ausgang; ausgeschaltet fließt der Spulenstrom über die Diode weiterEingeschaltet wird Energie in der Spule gespeichert; ausgeschaltet addiert sich die Spulenspannung zur Eingangsspannung, und die Energie wird an den Ausgang abgegeben
EingangsstromPulsierend (fließt nur, solange der Schalter eingeschaltet ist). Der Eingangskondensator ist wichtigKontinuierlich (fließt ständig durch die Spule)
AusgangsstromKontinuierlich (fließt ständig aus der Spule). Geringe AusgangswelligkeitPulsierend (kommt nur an, solange der Schalter ausgeschaltet ist). Hoher Rippelstrom im Ausgangskondensator
WirkungsgradJe nach Bedingungen etwa 80–95 %Je nach Bedingungen etwa 80–95 %. Sinkt bei großem Übersetzungsverhältnis
RegelungRegelschleife leicht auszulegenIm nicht lückenden Betrieb gibt es eine Nullstelle in der rechten Halbebene, die eine hohe Regelbandbreite erschwert
Bei gestopptem SchalterEingang und Ausgang sind getrenntDie Eingangsspannung liegt über Spule und Diode weiterhin am Ausgang an. Zum vollständigen Abschalten ist ein zusätzlicher Schalter nötig
Typische AnwendungenErzeugung der Kernspannung von CPUs und SoCs (um 1 V) aus 12 V oder 5 V, Erzeugung niedriger Spannungen aus BatterienErzeugung von 5 V aus Lithium-Ionen-Akkus (etwa 3,0–4,2 V), Ansteuerung in Reihe geschalteter LEDs, Leistungsfaktorkorrektur (PFC) an Wechselstromnetzteilen

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Abwärtswandler (Buck)
Wenn eine niedrigere Spannung als der Eingang mit hohem Strom effizient erzeugt werden soll: Kernversorgung von CPUs und SoCs, Erzeugung verschiedener Spannungen aus 12 V oder 5 V.
Aufwärtswandler (Boost)
Wenn eine höhere Spannung als der Eingang benötigt wird: 5-V-USB-Ausgang aus einer Batterie, Ansteuerung in Reihe geschalteter LEDs, Erzeugung einer hohen Gleichspannung mit PFC.
Auf- und Abwärtswandlung
Wenn die Batteriespannung im Lauf der Nutzung über und unter die Ausgangsspannung wandert, verwendet man einen Buck-Boost-Wandler, der beide Funktionen vereint.

Häufige Fragen

Wie leitet man die Verhältnisse D und 1/(1−D) her?

Aus der Bedingung, dass im eingeschwungenen Zustand der Mittelwert der Spulenspannung über eine Periode null ist (das Spannungs-Zeit-Produkt ist ausgeglichen). Beim Abwärtswandler liegt im eingeschalteten Zustand (Vin − Vout) und im ausgeschalteten −Vout an, also folgt aus (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D) Vout = D × Vin. Beim Aufwärtswandler folgt aus Vin × D = (Vout − Vin) × (1 − D) Vout = Vin/(1 − D).

Warum liefert ein Aufwärtswandler eine höhere Spannung als der Eingang?

Solange der Schalter eingeschaltet ist, fließt Strom durch die Spule und speichert Energie. Wird der Schalter ausgeschaltet, erzeugt die Spule eine Spannung, um den Strom aufrechtzuerhalten. Diese addiert sich zur Eingangsspannung und treibt den Strom über die Diode zum Ausgang, weshalb der Ausgang höher liegt als der Eingang.

Lässt sich das Übersetzungsverhältnis beliebig erhöhen, wenn D gegen 1 geht?

Idealerweise wächst 1/(1−D) unbegrenzt, in der Praxis nehmen jedoch die Verluste durch die Widerstände von Spule und Schalter zu, die Ausgangsspannung erreicht eine Obergrenze, und der Wirkungsgrad sinkt. Praktikabel sind Verhältnisse bis etwa zum Mehrfachen; für höhere Verhältnisse wählt man z. B. Topologien mit Transformator.

Was ist Synchrongleichrichtung?

Ein Verfahren, bei dem statt der Diode ein MOSFET eingesetzt und genau dann eingeschaltet wird, wenn die Diode Strom führen würde. Es verringert die Verluste durch die Durchlassspannung der Diode (selbst bei Schottky-Dioden etwa 0,3–0,5 V), sodass der Wirkungsgrad umso stärker steigt, je niedriger die Ausgangsspannung ist.

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Wie groß ist die Ausgangsspannung eines idealen Tiefsetzstellers (Buck-Konverter) bei 12 V Eingangsspannung und einem Tastverhältnis des Schalters von 0.25?

  1. A3 V
  2. B9 V
  3. C48 V
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Antwort: A. 3 V

Die Ausgangsspannung eines idealen Tiefsetzstellers ist „Eingangsspannung × Tastverhältnis“, also 12 V × 0.25 = 3 V. Der Ausgang wird über den Anteil der Einschaltzeit des Schalters eingestellt und von Spule und Kondensator zu glatter Gleichspannung gemittelt. Mit Synchrongleichrichtung, bei der MOSFETs statt Dioden verwendet werden, übersteigt der Wirkungsgrad 90 %. Die niedrigen Versorgungsspannungen von CPU und Speicher werden auf dem Mainboard von mehrphasigen Tiefsetzstellern erzeugt.

Welcher DC-DC-Wandler gibt eine höhere Gleichspannung als die Eingangsspannung aus?

  1. AHochsetzsteller (Boost-Konverter)
  2. BTiefsetzsteller (Buck-Konverter)
  3. CBrückengleichrichterschaltung
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Antwort: A. Hochsetzsteller (Boost-Konverter)

Ein Hochsetzsteller speichert Energie in der Spule, solange der Schalter eingeschaltet ist, und gibt beim Ausschalten die Spannung der Spule zur Eingangsspannung addiert aus. Idealerweise beträgt die Ausgangsspannung Eingangsspannung ÷ (1 − Tastverhältnis), bei einem Tastverhältnis von 0.5 also das Doppelte. Er wird z. B. in Schaltungen verwendet, die LEDs aus einer einzigen Trockenbatterie leuchten lassen, zur Spannungsanhebung von Solarzellen, für die Motorspannung von Hybridfahrzeugen und in PFC-Schaltungen.

Was ist der Hauptvorteil einer höheren Schaltfrequenz von Leistungswandlern?

  1. ADie Schaltverluste sinken stets
  2. BPassive Bauteile wie Spulen und Kondensatoren lassen sich verkleinern
  3. CDas elektromagnetische Rauschen sinkt stets
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Antwort: B. Passive Bauteile wie Spulen und Kondensatoren lassen sich verkleinern

Bei höherer Schaltfrequenz muss pro Periode weniger Energie in Spulen und Kondensatoren gespeichert werden, sodass Bauteile kleiner werden und das Netzteil klein und leicht wird. Die Größe eines Transformators sinkt z. B. etwa umgekehrt proportional zur Frequenz. Schaltverluste und Rauschen nehmen dagegen mit der Frequenz zu, weshalb SiC und GaN mit geringen Verlusten auch bei hoher Geschwindigkeit höhere Frequenzen ermöglichen.

  1. Welche Aussage zum Schaltregler im Vergleich zu Linearreglern (z. B. LDO) ist korrekt?
  2. Welchen Zweck hat eine parallel zu einer induktiven Last wie einer Relaisspule geschaltete Diode (Freilaufdiode)?

Übungsfragen zu Leistungshalbleiter

Wichtige Begriffe erklärt

DC-DC-Wandler
Schaltung, die eine Gleichspannung in eine Gleichspannung anderer Höhe umwandelt. Sie verwendet Schalter, Spule und Kondensator; es gibt Tiefsetzsteller (Buck) und Hochsetzsteller (Boost).
Tastverhältnis (Duty Cycle)
Anteil der Zeit einer Periode, in der der Ausgang eines periodischen Impulssignals High ist. Bei PWM bestimmt es die mittlere Leistung.
Schottky-Diode
Diode mit einem Metall-Halbleiter-Übergang (Schottky-Kontakt). Sie hat eine niedrige Durchlassspannung und kann wegen fehlender Minoritätsträgerspeicherung schnell schalten.
PMIC (Power Management IC)
Power-Management-IC. Baustein, der aus einer Batterie o. Ä. mehrere Spannungen erzeugt und die Einschaltreihenfolge sowie das Umschalten der Spannungen verwaltet.

Verwandte Vergleiche